src/gromacs/mdlib/shellfc.cpp

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2008, The GROMACS development team.
   6  * Copyright (c) 2013,2014,2015,2016,2017,2018,2019, by the GROMACS development team, led by
   7  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   8  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   9  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  10  *
  11  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  13  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  14  * of the License, or (at your option) any later version.
  15  *
  16  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  19  * Lesser General Public License for more details.
  20  *
  21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  22  * License along with GROMACS; if not, see
  23  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  24  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  25  *
  26  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  27  * consider that scientific software is very special. Version
  28  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  29  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  30  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  31  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  32  * official version at http://www.gromacs.org.
  33  *
  34  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  35  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  36  */
  37 #include "gmxpre.h"
  38
  39 #include "shellfc.h"
  40
  41 #include <cmath>
  42 #include <cstdint>
  43 #include <cstdlib>
  44 #include <cstring>
  45
  46 #include <algorithm>
  47 #include <array>
  48
  49 #include "gromacs/domdec/dlbtiming.h"
  50 #include "gromacs/domdec/domdec.h"
  51 #include "gromacs/domdec/domdec_struct.h"
  52 #include "gromacs/gmxlib/chargegroup.h"
  53 #include "gromacs/gmxlib/network.h"
  54 #include "gromacs/math/functions.h"
  55 #include "gromacs/math/units.h"
  56 #include "gromacs/math/vec.h"
  57 #include "gromacs/math/vecdump.h"
  58 #include "gromacs/mdlib/constr.h"
  59 #include "gromacs/mdlib/force.h"
  60 #include "gromacs/mdlib/force_flags.h"
  61 #include "gromacs/mdlib/sim_util.h"
  62 #include "gromacs/mdlib/vsite.h"
  63 #include "gromacs/mdtypes/commrec.h"
  64 #include "gromacs/mdtypes/enerdata.h"
  65 #include "gromacs/mdtypes/forcerec.h"
  66 #include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
  67 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
  68 #include "gromacs/mdtypes/state.h"
  69 #include "gromacs/pbcutil/mshift.h"
  70 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  71 #include "gromacs/topology/ifunc.h"
  72 #include "gromacs/topology/mtop_lookup.h"
  73 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
  74 #include "gromacs/utility/arrayref.h"
  75 #include "gromacs/utility/arraysize.h"
  76 #include "gromacs/utility/cstringutil.h"
  77 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  78 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  79
  80 typedef struct {
  81     int     nnucl;
  82     int     shell;               /* The shell id                                */
  83     int     nucl1, nucl2, nucl3; /* The nuclei connected to the shell   */
  84     /* gmx_bool    bInterCG; */       /* Coupled to nuclei outside cg?        */
  85     real    k;                   /* force constant                      */
  86     real    k_1;                 /* 1 over force constant               */
  87     rvec    xold;
  88     rvec    fold;
  89     rvec    step;
  90 } t_shell;
  91
  92 struct gmx_shellfc_t {
  93     /* Shell counts, indices, parameters and working data */
  94     int          nshell_gl;              /* The number of shells in the system        */
  95     t_shell     *shell_gl;               /* All the shells (for DD only)              */
  96     int         *shell_index_gl;         /* Global shell index (for DD only)          */
  97     gmx_bool     bInterCG;               /* Are there inter charge-group shells?      */
  98     int          nshell;                 /* The number of local shells                */
  99     t_shell     *shell;                  /* The local shells                          */
 100     int          shell_nalloc;           /* The allocation size of shell              */
 101     gmx_bool     bPredict;               /* Predict shell positions                   */
 102     gmx_bool     bRequireInit;           /* Require initialization of shell positions */
 103     int          nflexcon;               /* The number of flexible constraints        */
 104
 105     /* Temporary arrays, should be fixed size 2 when fully converted to C++ */
 106     PaddedVector<gmx::RVec> *x;          /* Array for iterative minimization          */
 107     PaddedVector<gmx::RVec> *f;          /* Array for iterative minimization          */
 108
 109     /* Flexible constraint working data */
 110     rvec        *acc_dir;                /* Acceleration direction for flexcon        */
 111     rvec        *x_old;                  /* Old coordinates for flexcon               */
 112     int          flex_nalloc;            /* The allocation size of acc_dir and x_old  */
 113     rvec        *adir_xnold;             /* Work space for init_adir                  */
 114     rvec        *adir_xnew;              /* Work space for init_adir                  */
 115     int          adir_nalloc;            /* Work space for init_adir                  */
 116     std::int64_t numForceEvaluations;    /* Total number of force evaluations         */
 117     int          numConvergedIterations; /* Total number of iterations that converged */
 118 };
 119
 120
 121 static void pr_shell(FILE *fplog, int ns, t_shell s[])
 122 {
 123     int i;
 124
 125     fprintf(fplog, "SHELL DATA\n");
 126     fprintf(fplog, "%5s  %8s  %5s  %5s  %5s\n",
 127             "Shell", "Force k", "Nucl1", "Nucl2", "Nucl3");
 128     for (i = 0; (i < ns); i++)
 129     {
 130         fprintf(fplog, "%5d  %8.3f  %5d", s[i].shell, 1.0/s[i].k_1, s[i].nucl1);
 131         if (s[i].nnucl == 2)
 132         {
 133             fprintf(fplog, "  %5d\n", s[i].nucl2);
 134         }
 135         else if (s[i].nnucl == 3)
 136         {
 137             fprintf(fplog, "  %5d  %5d\n", s[i].nucl2, s[i].nucl3);
 138         }
 139         else
 140         {
 141             fprintf(fplog, "\n");
 142         }
 143     }
 144 }
 145
 146 /* TODO The remain call of this function passes non-NULL mass and NULL
 147  * mtop, so this routine can be simplified.
 148  *
 149  * The other code path supported doing prediction before the MD loop
 150  * started, but even when called, the prediction was always
 151  * over-written by a subsequent call in the MD loop, so has been
 152  * removed. */
 153 static void predict_shells(FILE *fplog, rvec x[], rvec v[], real dt,
 154                            int ns, t_shell s[],
 155                            const real mass[], gmx_mtop_t *mtop, gmx_bool bInit)
 156 {
 157     int                   i, m, s1, n1, n2, n3;
 158     real                  dt_1, fudge, tm, m1, m2, m3;
 159     rvec                 *ptr;
 160
 161     /* We introduce a fudge factor for performance reasons: with this choice
 162      * the initial force on the shells is about a factor of two lower than
 163      * without
 164      */
 165     fudge = 1.0;
 166
 167     if (bInit)
 168     {
 169         if (fplog)
 170         {
 171             fprintf(fplog, "RELAX: Using prediction for initial shell placement\n");
 172         }
 173         ptr  = x;
 174         dt_1 = 1;
 175     }
 176     else
 177     {
 178         ptr  = v;
 179         dt_1 = fudge*dt;
 180     }
 181
 182     int molb = 0;
 183     for (i = 0; (i < ns); i++)
 184     {
 185         s1 = s[i].shell;
 186         if (bInit)
 187         {
 188             clear_rvec(x[s1]);
 189         }
 190         switch (s[i].nnucl)
 191         {
 192             case 1:
 193                 n1 = s[i].nucl1;
 194                 for (m = 0; (m < DIM); m++)
 195                 {
 196                     x[s1][m] += ptr[n1][m]*dt_1;
 197                 }
 198                 break;
 199             case 2:
 200                 n1 = s[i].nucl1;
 201                 n2 = s[i].nucl2;
 202                 if (mass)
 203                 {
 204                     m1 = mass[n1];
 205                     m2 = mass[n2];
 206                 }
 207                 else
 208                 {
 209                     /* Not the correct masses with FE, but it is just a prediction... */
 210                     m1 = mtopGetAtomMass(mtop, n1, &molb);
 211                     m2 = mtopGetAtomMass(mtop, n2, &molb);
 212                 }
 213                 tm = dt_1/(m1+m2);
 214                 for (m = 0; (m < DIM); m++)
 215                 {
 216                     x[s1][m] += (m1*ptr[n1][m]+m2*ptr[n2][m])*tm;
 217                 }
 218                 break;
 219             case 3:
 220                 n1 = s[i].nucl1;
 221                 n2 = s[i].nucl2;
 222                 n3 = s[i].nucl3;
 223                 if (mass)
 224                 {
 225                     m1 = mass[n1];
 226                     m2 = mass[n2];
 227                     m3 = mass[n3];
 228                 }
 229                 else
 230                 {
 231                     /* Not the correct masses with FE, but it is just a prediction... */
 232                     m1 = mtopGetAtomMass(mtop, n1, &molb);
 233                     m2 = mtopGetAtomMass(mtop, n2, &molb);
 234                     m3 = mtopGetAtomMass(mtop, n3, &molb);
 235                 }
 236                 tm = dt_1/(m1+m2+m3);
 237                 for (m = 0; (m < DIM); m++)
 238                 {
 239                     x[s1][m] += (m1*ptr[n1][m]+m2*ptr[n2][m]+m3*ptr[n3][m])*tm;
 240                 }
 241                 break;
 242             default:
 243                 gmx_fatal(FARGS, "Shell %d has %d nuclei!", i, s[i].nnucl);
 244         }
 245     }
 246 }
 247
 248 /*! \brief Count the different particle types in a system
 249  *
 250  * Routine prints a warning to stderr in case an unknown particle type
 251  * is encountered.
 252  * \param[in]  fplog Print what we have found if not NULL
 253  * \param[in]  mtop  Molecular topology.
 254  * \returns Array holding the number of particles of a type
 255  */
 256 static std::array<int, eptNR> countPtypes(FILE             *fplog,
 257                                           const gmx_mtop_t *mtop)
 258 {
 259     std::array<int, eptNR> nptype = { { 0 } };
 260     /* Count number of shells, and find their indices */
 261     for (int i = 0; (i < eptNR); i++)
 262     {
 263         nptype[i] = 0;
 264     }
 265
 266     gmx_mtop_atomloop_block_t  aloopb = gmx_mtop_atomloop_block_init(mtop);
 267     int                        nmol;
 268     const t_atom              *atom;
 269     while (gmx_mtop_atomloop_block_next(aloopb, &atom, &nmol))
 270     {
 271         switch (atom->ptype)
 272         {
 273             case eptAtom:
 274             case eptVSite:
 275             case eptShell:
 276                 nptype[atom->ptype] += nmol;
 277                 break;
 278             default:
 279                 fprintf(stderr, "Warning unsupported particle type %d in countPtypes",
 280                         static_cast<int>(atom->ptype));
 281         }
 282     }
 283     if (fplog)
 284     {
 285         /* Print the number of each particle type */
 286         int n = 0;
 287         for (const auto &i : nptype)
 288         {
 289             if (i != 0)
 290             {
 291                 fprintf(fplog, "There are: %d %ss\n", i, ptype_str[n]);
 292             }
 293             n++;
 294         }
 295     }
 296     return nptype;
 297 }
 298
 299 gmx_shellfc_t *init_shell_flexcon(FILE *fplog,
 300                                   const gmx_mtop_t *mtop, int nflexcon,
 301                                   int nstcalcenergy,
 302                                   bool usingDomainDecomposition)
 303 {
 304     gmx_shellfc_t            *shfc;
 305     t_shell                  *shell;
 306     int                      *shell_index = nullptr, *at2cg;
 307
 308     int                       ns, nshell, nsi;
 309     int                       i, j, type, a_offset, cg, mol, ftype, nra;
 310     real                      qS, alpha;
 311     int                       aS, aN = 0; /* Shell and nucleus */
 312     int                       bondtypes[] = { F_BONDS, F_HARMONIC, F_CUBICBONDS, F_POLARIZATION, F_ANHARM_POL, F_WATER_POL };
 313 #define NBT asize(bondtypes)
 314     const gmx_ffparams_t     *ffparams;
 315
 316     std::array<int, eptNR>    n = countPtypes(fplog, mtop);
 317     nshell = n[eptShell];
 318
 319     if (nshell == 0 && nflexcon == 0)
 320     {
 321         /* We're not doing shells or flexible constraints */
 322         return nullptr;
 323     }
 324
 325     snew(shfc, 1);
 326     shfc->x        = new PaddedVector<gmx::RVec>[2] {};
 327     shfc->f        = new PaddedVector<gmx::RVec>[2] {};
 328     shfc->nflexcon = nflexcon;
 329
 330     if (nshell == 0)
 331     {
 332         /* Only flexible constraints, no shells.
 333          * Note that make_local_shells() does not need to be called.
 334          */
 335         shfc->nshell   = 0;
 336         shfc->bPredict = FALSE;
 337
 338         return shfc;
 339     }
 340
 341     if (nstcalcenergy != 1)
 342     {
 343         gmx_fatal(FARGS, "You have nstcalcenergy set to a value (%d) that is different from 1.\nThis is not supported in combination with shell particles.\nPlease make a new tpr file.", nstcalcenergy);
 344     }
 345     if (usingDomainDecomposition)
 346     {
 347         gmx_fatal(FARGS, "Shell particles are not implemented with domain decomposition, use a single rank");
 348     }
 349
 350     /* We have shells: fill the shell data structure */
 351
 352     /* Global system sized array, this should be avoided */
 353     snew(shell_index, mtop->natoms);
 354
 355     nshell = 0;
 356     for (const AtomProxy atomP : AtomRange(*mtop))
 357     {
 358         const t_atom &local = atomP.atom();
 359         int           i     = atomP.globalAtomNumber();
 360         if (local.ptype == eptShell)
 361         {
 362             shell_index[i] = nshell++;
 363         }
 364     }
 365
 366     snew(shell, nshell);
 367
 368     /* Initiate the shell structures */
 369     for (i = 0; (i < nshell); i++)
 370     {
 371         shell[i].shell = -1;
 372         shell[i].nnucl = 0;
 373         shell[i].nucl1 = -1;
 374         shell[i].nucl2 = -1;
 375         shell[i].nucl3 = -1;
 376         /* shell[i].bInterCG=FALSE; */
 377         shell[i].k_1   = 0;
 378         shell[i].k     = 0;
 379     }
 380
 381     ffparams = &mtop->ffparams;
 382
 383     /* Now fill the structures */
 384     shfc->bInterCG = FALSE;
 385     ns             = 0;
 386     a_offset       = 0;
 387     for (size_t mb = 0; mb < mtop->molblock.size(); mb++)
 388     {
 389         const gmx_molblock_t *molb = &mtop->molblock[mb];
 390         const gmx_moltype_t  *molt = &mtop->moltype[molb->type];
 391         const t_block        *cgs  = &molt->cgs;
 392
 393         snew(at2cg, molt->atoms.nr);
 394         for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
 395         {
 396             for (i = cgs->index[cg]; i < cgs->index[cg+1]; i++)
 397             {
 398                 at2cg[i] = cg;
 399             }
 400         }
 401
 402         const t_atom *atom = molt->atoms.atom;
 403         for (mol = 0; mol < molb->nmol; mol++)
 404         {
 405             for (j = 0; (j < NBT); j++)
 406             {
 407                 const int *ia = molt->ilist[bondtypes[j]].iatoms.data();
 408                 for (i = 0; (i < molt->ilist[bondtypes[j]].size()); )
 409                 {
 410                     type  = ia[0];
 411                     ftype = ffparams->functype[type];
 412                     nra   = interaction_function[ftype].nratoms;
 413
 414                     /* Check whether we have a bond with a shell */
 415                     aS = -1;
 416
 417                     switch (bondtypes[j])
 418                     {
 419                         case F_BONDS:
 420                         case F_HARMONIC:
 421                         case F_CUBICBONDS:
 422                         case F_POLARIZATION:
 423                         case F_ANHARM_POL:
 424                             if (atom[ia[1]].ptype == eptShell)
 425                             {
 426                                 aS = ia[1];
 427                                 aN = ia[2];
 428                             }
 429                             else if (atom[ia[2]].ptype == eptShell)
 430                             {
 431                                 aS = ia[2];
 432                                 aN = ia[1];
 433                             }
 434                             break;
 435                         case F_WATER_POL:
 436                             aN    = ia[4]; /* Dummy */
 437                             aS    = ia[5]; /* Shell */
 438                             break;
 439                         default:
 440                             gmx_fatal(FARGS, "Death Horror: %s, %d", __FILE__, __LINE__);
 441                     }
 442
 443                     if (aS != -1)
 444                     {
 445                         qS = atom[aS].q;
 446
 447                         /* Check whether one of the particles is a shell... */
 448                         nsi = shell_index[a_offset+aS];
 449                         if ((nsi < 0) || (nsi >= nshell))
 450                         {
 451                             gmx_fatal(FARGS, "nsi is %d should be within 0 - %d. aS = %d",
 452                                       nsi, nshell, aS);
 453                         }
 454                         if (shell[nsi].shell == -1)
 455                         {
 456                             shell[nsi].shell = a_offset + aS;
 457                             ns++;
 458                         }
 459                         else if (shell[nsi].shell != a_offset+aS)
 460                         {
 461                             gmx_fatal(FARGS, "Weird stuff in %s, %d", __FILE__, __LINE__);
 462                         }
 463
 464                         if      (shell[nsi].nucl1 == -1)
 465                         {
 466                             shell[nsi].nucl1 = a_offset + aN;
 467                         }
 468                         else if (shell[nsi].nucl2 == -1)
 469                         {
 470                             shell[nsi].nucl2 = a_offset + aN;
 471                         }
 472                         else if (shell[nsi].nucl3 == -1)
 473                         {
 474                             shell[nsi].nucl3 = a_offset + aN;
 475                         }
 476                         else
 477                         {
 478                             if (fplog)
 479                             {
 480                                 pr_shell(fplog, ns, shell);
 481                             }
 482                             gmx_fatal(FARGS, "Can not handle more than three bonds per shell\n");
 483                         }
 484                         if (at2cg[aS] != at2cg[aN])
 485                         {
 486                             /* shell[nsi].bInterCG = TRUE; */
 487                             shfc->bInterCG = TRUE;
 488                         }
 489
 490                         switch (bondtypes[j])
 491                         {
 492                             case F_BONDS:
 493                             case F_HARMONIC:
 494                                 shell[nsi].k    += ffparams->iparams[type].harmonic.krA;
 495                                 break;
 496                             case F_CUBICBONDS:
 497                                 shell[nsi].k    += ffparams->iparams[type].cubic.kb;
 498                                 break;
 499                             case F_POLARIZATION:
 500                             case F_ANHARM_POL:
 501                                 if (!gmx_within_tol(qS, atom[aS].qB, GMX_REAL_EPS*10))
 502                                 {
 503                                     gmx_fatal(FARGS, "polarize can not be used with qA(%e) != qB(%e) for atom %d of molecule block %zu", qS, atom[aS].qB, aS+1, mb+1);
 504                                 }
 505                                 shell[nsi].k    += gmx::square(qS)*ONE_4PI_EPS0/
 506                                     ffparams->iparams[type].polarize.alpha;
 507                                 break;
 508                             case F_WATER_POL:
 509                                 if (!gmx_within_tol(qS, atom[aS].qB, GMX_REAL_EPS*10))
 510                                 {
 511                                     gmx_fatal(FARGS, "water_pol can not be used with qA(%e) != qB(%e) for atom %d of molecule block %zu", qS, atom[aS].qB, aS+1, mb+1);
 512                                 }
 513                                 alpha          = (ffparams->iparams[type].wpol.al_x+
 514                                                   ffparams->iparams[type].wpol.al_y+
 515                                                   ffparams->iparams[type].wpol.al_z)/3.0;
 516                                 shell[nsi].k  += gmx::square(qS)*ONE_4PI_EPS0/alpha;
 517                                 break;
 518                             default:
 519                                 gmx_fatal(FARGS, "Death Horror: %s, %d", __FILE__, __LINE__);
 520                         }
 521                         shell[nsi].nnucl++;
 522                     }
 523                     ia += nra+1;
 524                     i  += nra+1;
 525                 }
 526             }
 527             a_offset += molt->atoms.nr;
 528         }
 529         /* Done with this molecule type */
 530         sfree(at2cg);
 531     }
 532
 533     /* Verify whether it's all correct */
 534     if (ns != nshell)
 535     {
 536         gmx_fatal(FARGS, "Something weird with shells. They may not be bonded to something");
 537     }
 538
 539     for (i = 0; (i < ns); i++)
 540     {
 541         shell[i].k_1 = 1.0/shell[i].k;
 542     }
 543
 544     if (debug)
 545     {
 546         pr_shell(debug, ns, shell);
 547     }
 548
 549
 550     shfc->nshell_gl      = ns;
 551     shfc->shell_gl       = shell;
 552     shfc->shell_index_gl = shell_index;
 553
 554     shfc->bPredict     = (getenv("GMX_NOPREDICT") == nullptr);
 555     shfc->bRequireInit = FALSE;
 556     if (!shfc->bPredict)
 557     {
 558         if (fplog)
 559         {
 560             fprintf(fplog, "\nWill never predict shell positions\n");
 561         }
 562     }
 563     else
 564     {
 565         shfc->bRequireInit = (getenv("GMX_REQUIRE_SHELL_INIT") != nullptr);
 566         if (shfc->bRequireInit && fplog)
 567         {
 568             fprintf(fplog, "\nWill always initiate shell positions\n");
 569         }
 570     }
 571
 572     if (shfc->bPredict)
 573     {
 574         if (shfc->bInterCG)
 575         {
 576             if (fplog)
 577             {
 578                 fprintf(fplog, "\nNOTE: there are shells that are connected to particles outside their own charge group, will not predict shells positions during the run\n\n");
 579             }
 580             /* Prediction improves performance, so we should implement either:
 581              * 1. communication for the atoms needed for prediction
 582              * 2. prediction using the velocities of shells; currently the
 583              *    shell velocities are zeroed, it's a bit tricky to keep
 584              *    track of the shell displacements and thus the velocity.
 585              */
 586             shfc->bPredict = FALSE;
 587         }
 588     }
 589
 590     return shfc;
 591 }
 592
 593 void make_local_shells(const t_commrec *cr,
 594                        const t_mdatoms *md,
 595                        gmx_shellfc_t   *shfc)
 596 {
 597     t_shell      *shell;
 598     int           a0, a1, *ind, nshell, i;
 599     gmx_domdec_t *dd = nullptr;
 600
 601     if (DOMAINDECOMP(cr))
 602     {
 603         dd = cr->dd;
 604         a0 = 0;
 605         a1 = dd_numHomeAtoms(*dd);
 606     }
 607     else
 608     {
 609         /* Single node: we need all shells, just copy the pointer */
 610         shfc->nshell = shfc->nshell_gl;
 611         shfc->shell  = shfc->shell_gl;
 612
 613         return;
 614     }
 615
 616     ind = shfc->shell_index_gl;
 617
 618     nshell = 0;
 619     shell  = shfc->shell;
 620     for (i = a0; i < a1; i++)
 621     {
 622         if (md->ptype[i] == eptShell)
 623         {
 624             if (nshell+1 > shfc->shell_nalloc)
 625             {
 626                 shfc->shell_nalloc = over_alloc_dd(nshell+1);
 627                 srenew(shell, shfc->shell_nalloc);
 628             }
 629             if (dd)
 630             {
 631                 shell[nshell] = shfc->shell_gl[ind[dd->globalAtomIndices[i]]];
 632             }
 633             else
 634             {
 635                 shell[nshell] = shfc->shell_gl[ind[i]];
 636             }
 637
 638             /* With inter-cg shells we can no do shell prediction,
 639              * so we do not need the nuclei numbers.
 640              */
 641             if (!shfc->bInterCG)
 642             {
 643                 shell[nshell].nucl1   = i + shell[nshell].nucl1 - shell[nshell].shell;
 644                 if (shell[nshell].nnucl > 1)
 645                 {
 646                     shell[nshell].nucl2 = i + shell[nshell].nucl2 - shell[nshell].shell;
 647                 }
 648                 if (shell[nshell].nnucl > 2)
 649                 {
 650                     shell[nshell].nucl3 = i + shell[nshell].nucl3 - shell[nshell].shell;
 651                 }
 652             }
 653             shell[nshell].shell = i;
 654             nshell++;
 655         }
 656     }
 657
 658     shfc->nshell = nshell;
 659     shfc->shell  = shell;
 660 }
 661
 662 static void do_1pos(rvec xnew, const rvec xold, const rvec f, real step)
 663 {
 664     real xo, yo, zo;
 665     real dx, dy, dz;
 666
 667     xo = xold[XX];
 668     yo = xold[YY];
 669     zo = xold[ZZ];
 670
 671     dx = f[XX]*step;
 672     dy = f[YY]*step;
 673     dz = f[ZZ]*step;
 674
 675     xnew[XX] = xo+dx;
 676     xnew[YY] = yo+dy;
 677     xnew[ZZ] = zo+dz;
 678 }
 679
 680 static void do_1pos3(rvec xnew, const rvec xold, const rvec f, const rvec step)
 681 {
 682     real xo, yo, zo;
 683     real dx, dy, dz;
 684
 685     xo = xold[XX];
 686     yo = xold[YY];
 687     zo = xold[ZZ];
 688
 689     dx = f[XX]*step[XX];
 690     dy = f[YY]*step[YY];
 691     dz = f[ZZ]*step[ZZ];
 692
 693     xnew[XX] = xo+dx;
 694     xnew[YY] = yo+dy;
 695     xnew[ZZ] = zo+dz;
 696 }
 697
 698 static void directional_sd(gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> xold,
 699                            gmx::ArrayRef<gmx::RVec> xnew,
 700                            const rvec acc_dir[], int homenr, real step)
 701 {
 702     const rvec *xo = as_rvec_array(xold.data());
 703     rvec       *xn = as_rvec_array(xnew.data());
 704
 705     for (int i = 0; i < homenr; i++)
 706     {
 707         do_1pos(xn[i], xo[i], acc_dir[i], step);
 708     }
 709 }
 710
 711 static void shell_pos_sd(gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> xcur,
 712                          gmx::ArrayRef<gmx::RVec> xnew,
 713                          gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> f,
 714                          int ns, t_shell s[], int count)
 715 {
 716     const real step_scale_min       = 0.8,
 717                step_scale_increment = 0.2,
 718                step_scale_max       = 1.2,
 719                step_scale_multiple  = (step_scale_max - step_scale_min) / step_scale_increment;
 720     int        i, shell, d;
 721     real       dx, df, k_est;
 722     const real zero = 0;
 723 #ifdef PRINT_STEP
 724     real       step_min, step_max;
 725
 726     step_min = 1e30;
 727     step_max = 0;
 728 #endif
 729     for (i = 0; (i < ns); i++)
 730     {
 731         shell = s[i].shell;
 732         if (count == 1)
 733         {
 734             for (d = 0; d < DIM; d++)
 735             {
 736                 s[i].step[d] = s[i].k_1;
 737 #ifdef PRINT_STEP
 738                 step_min = std::min(step_min, s[i].step[d]);
 739                 step_max = std::max(step_max, s[i].step[d]);
 740 #endif
 741             }
 742         }
 743         else
 744         {
 745             for (d = 0; d < DIM; d++)
 746             {
 747                 dx = xcur[shell][d] - s[i].xold[d];
 748                 df =    f[shell][d] - s[i].fold[d];
 749                 /* -dx/df gets used to generate an interpolated value, but would
 750                  * cause a NaN if df were binary-equal to zero. Values close to
 751                  * zero won't cause problems (because of the min() and max()), so
 752                  * just testing for binary inequality is OK. */
 753                 if (zero != df)
 754                 {
 755                     k_est = -dx/df;
 756                     /* Scale the step size by a factor interpolated from
 757                      * step_scale_min to step_scale_max, as k_est goes from 0 to
 758                      * step_scale_multiple * s[i].step[d] */
 759                     s[i].step[d] =
 760                         step_scale_min * s[i].step[d] +
 761                         step_scale_increment * std::min(step_scale_multiple * s[i].step[d], std::max(k_est, zero));
 762                 }
 763                 else
 764                 {
 765                     /* Here 0 == df */
 766                     if (gmx_numzero(dx)) /* 0 == dx */
 767                     {
 768                         /* Likely this will never happen, but if it does just
 769                          * don't scale the step. */
 770                     }
 771                     else /* 0 != dx */
 772                     {
 773                         s[i].step[d] *= step_scale_max;
 774                     }
 775                 }
 776 #ifdef PRINT_STEP
 777                 step_min = std::min(step_min, s[i].step[d]);
 778                 step_max = std::max(step_max, s[i].step[d]);
 779 #endif
 780             }
 781         }
 782         copy_rvec(xcur [shell], s[i].xold);
 783         copy_rvec(f[shell],   s[i].fold);
 784
 785         do_1pos3(xnew[shell], xcur[shell], f[shell], s[i].step);
 786
 787         if (gmx_debug_at)
 788         {
 789             fprintf(debug, "shell[%d] = %d\n", i, shell);
 790             pr_rvec(debug, 0, "fshell", f[shell], DIM, TRUE);
 791             pr_rvec(debug, 0, "xold", xcur[shell], DIM, TRUE);
 792             pr_rvec(debug, 0, "step", s[i].step, DIM, TRUE);
 793             pr_rvec(debug, 0, "xnew", xnew[shell], DIM, TRUE);
 794         }
 795     }
 796 #ifdef PRINT_STEP
 797     printf("step %.3e %.3e\n", step_min, step_max);
 798 #endif
 799 }
 800
 801 static void decrease_step_size(int nshell, t_shell s[])
 802 {
 803     int i;
 804
 805     for (i = 0; i < nshell; i++)
 806     {
 807         svmul(0.8, s[i].step, s[i].step);
 808     }
 809 }
 810
 811 static void print_epot(FILE *fp, int64_t mdstep, int count, real epot, real df,
 812                        int ndir, real sf_dir)
 813 {
 814     char buf[22];
 815
 816     fprintf(fp, "MDStep=%5s/%2d EPot: %12.8e, rmsF: %6.2e",
 817             gmx_step_str(mdstep, buf), count, epot, df);
 818     if (ndir)
 819     {
 820         fprintf(fp, ", dir. rmsF: %6.2e\n", std::sqrt(sf_dir/ndir));
 821     }
 822     else
 823     {
 824         fprintf(fp, "\n");
 825     }
 826 }
 827
 828
 829 static real rms_force(const t_commrec *cr, gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> force, int ns, t_shell s[],
 830                       int ndir, real *sf_dir, real *Epot)
 831 {
 832     double      buf[4];
 833     const rvec *f = as_rvec_array(force.data());
 834
 835     buf[0] = *sf_dir;
 836     for (int i = 0; i < ns; i++)
 837     {
 838         int shell  = s[i].shell;
 839         buf[0]    += norm2(f[shell]);
 840     }
 841     int ntot = ns;
 842
 843     if (PAR(cr))
 844     {
 845         buf[1] = ntot;
 846         buf[2] = *sf_dir;
 847         buf[3] = *Epot;
 848         gmx_sumd(4, buf, cr);
 849         ntot    = gmx::roundToInt(buf[1]);
 850         *sf_dir = buf[2];
 851         *Epot   = buf[3];
 852     }
 853     ntot += ndir;
 854
 855     return (ntot ? std::sqrt(buf[0]/ntot) : 0);
 856 }
 857
 858 static void dump_shells(FILE *fp, gmx::ArrayRef<gmx::RVec> f, real ftol, int ns, t_shell s[])
 859 {
 860     int  i, shell;
 861     real ft2, ff2;
 862
 863     ft2 = gmx::square(ftol);
 864
 865     for (i = 0; (i < ns); i++)
 866     {
 867         shell = s[i].shell;
 868         ff2   = iprod(f[shell], f[shell]);
 869         if (ff2 > ft2)
 870         {
 871             fprintf(fp, "SHELL %5d, force %10.5f  %10.5f  %10.5f, |f| %10.5f\n",
 872                     shell, f[shell][XX], f[shell][YY], f[shell][ZZ], std::sqrt(ff2));
 873         }
 874     }
 875 }
 876
 877 static void init_adir(gmx_shellfc_t            *shfc,
 878                       gmx::Constraints         *constr,
 879                       const t_inputrec         *ir,
 880                       const t_commrec          *cr,
 881                       int                       dd_ac1,
 882                       int64_t                   step,
 883                       const t_mdatoms          *md,
 884                       int                       end,
 885                       rvec                     *x_old,
 886                       rvec                     *x_init,
 887                       rvec                     *x,
 888                       rvec                     *f,
 889                       rvec                     *acc_dir,
 890                       matrix                    box,
 891                       gmx::ArrayRef<const real> lambda,
 892                       real                     *dvdlambda)
 893 {
 894     rvec           *xnold, *xnew;
 895     double          dt, w_dt;
 896     int             n, d;
 897     unsigned short *ptype;
 898
 899     if (DOMAINDECOMP(cr))
 900     {
 901         n = dd_ac1;
 902     }
 903     else
 904     {
 905         n = end;
 906     }
 907     if (n > shfc->adir_nalloc)
 908     {
 909         shfc->adir_nalloc = over_alloc_dd(n);
 910         srenew(shfc->adir_xnold, shfc->adir_nalloc);
 911         srenew(shfc->adir_xnew, shfc->adir_nalloc);
 912     }
 913     xnold = shfc->adir_xnold;
 914     xnew  = shfc->adir_xnew;
 915
 916     ptype = md->ptype;
 917
 918     dt = ir->delta_t;
 919
 920     /* Does NOT work with freeze or acceleration groups (yet) */
 921     for (n = 0; n < end; n++)
 922     {
 923         w_dt = md->invmass[n]*dt;
 924
 925         for (d = 0; d < DIM; d++)
 926         {
 927             if ((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell))
 928             {
 929                 xnold[n][d] = x[n][d] - (x_init[n][d] - x_old[n][d]);
 930                 xnew[n][d]  = 2*x[n][d] - x_old[n][d] + f[n][d]*w_dt*dt;
 931             }
 932             else
 933             {
 934                 xnold[n][d] = x[n][d];
 935                 xnew[n][d]  = x[n][d];
 936             }
 937         }
 938     }
 939     constr->apply(FALSE, FALSE, step, 0, 1.0,
 940                   x, xnold, nullptr, box,
 941                   lambda[efptBONDED], &(dvdlambda[efptBONDED]),
 942                   nullptr, nullptr, gmx::ConstraintVariable::Positions);
 943     constr->apply(FALSE, FALSE, step, 0, 1.0,
 944                   x, xnew, nullptr, box,
 945                   lambda[efptBONDED], &(dvdlambda[efptBONDED]),
 946                   nullptr, nullptr, gmx::ConstraintVariable::Positions);
 947
 948     for (n = 0; n < end; n++)
 949     {
 950         for (d = 0; d < DIM; d++)
 951         {
 952             xnew[n][d] =
 953                 -(2*x[n][d]-xnold[n][d]-xnew[n][d])/gmx::square(dt)
 954                 - f[n][d]*md->invmass[n];
 955         }
 956         clear_rvec(acc_dir[n]);
 957     }
 958
 959     /* Project the acceleration on the old bond directions */
 960     constr->apply(FALSE, FALSE, step, 0, 1.0,
 961                   x_old, xnew, acc_dir, box,
 962                   lambda[efptBONDED], &(dvdlambda[efptBONDED]),
 963                   nullptr, nullptr, gmx::ConstraintVariable::Deriv_FlexCon);
 964 }
 965
 966 void relax_shell_flexcon(FILE                                     *fplog,
 967                          const t_commrec                          *cr,
 968                          const gmx_multisim_t                     *ms,
 969                          gmx_bool                                  bVerbose,
 970                          gmx_enfrot                               *enforcedRotation,
 971                          int64_t                                   mdstep,
 972                          const t_inputrec                         *inputrec,
 973                          gmx_bool                                  bDoNS,
 974                          int                                       force_flags,
 975                          gmx_localtop_t                           *top,
 976                          gmx::Constraints                         *constr,
 977                          gmx_enerdata_t                           *enerd,
 978                          t_fcdata                                 *fcd,
 979                          t_state                                  *state,
 980                          gmx::ArrayRefWithPadding<gmx::RVec>       f,
 981                          tensor                                    force_vir,
 982                          const t_mdatoms                          *md,
 983                          t_nrnb                                   *nrnb,
 984                          gmx_wallcycle_t                           wcycle,
 985                          t_graph                                  *graph,
 986                          const gmx_groups_t                       *groups,
 987                          gmx_shellfc_t                            *shfc,
 988                          t_forcerec                               *fr,
 989                          gmx::PpForceWorkload                     *ppForceWorkload,
 990                          double                                    t,
 991                          rvec                                      mu_tot,
 992                          const gmx_vsite_t                        *vsite,
 993                          const DDBalanceRegionHandler             &ddBalanceRegionHandler)
 994 {
 995     int           nshell;
 996     t_shell      *shell;
 997     const t_idef *idef;
 998     rvec         *acc_dir = nullptr, *x_old = nullptr;
 999     real          Epot[2], df[2];
1000     real          sf_dir, invdt;
1001     real          ftol, dum = 0;
1002     char          sbuf[22];
1003     gmx_bool      bCont, bInit, bConverged;
1004     int           nat, dd_ac0, dd_ac1 = 0, i;
1005     int           homenr = md->homenr, end = homenr, cg0, cg1;
1006     int           nflexcon, number_steps, d, Min = 0, count = 0;
1007 #define  Try (1-Min)             /* At start Try = 1 */
1008
1009     bCont        = (mdstep == inputrec->init_step) && inputrec->bContinuation;
1010     bInit        = (mdstep == inputrec->init_step) || shfc->bRequireInit;
1011     ftol         = inputrec->em_tol;
1012     number_steps = inputrec->niter;
1013     nshell       = shfc->nshell;
1014     shell        = shfc->shell;
1015     nflexcon     = shfc->nflexcon;
1016
1017     idef = &top->idef;
1018
1019     if (DOMAINDECOMP(cr))
1020     {
1021         nat = dd_natoms_vsite(cr->dd);
1022         if (nflexcon > 0)
1023         {
1024             dd_get_constraint_range(cr->dd, &dd_ac0, &dd_ac1);
1025             nat = std::max(nat, dd_ac1);
1026         }
1027     }
1028     else
1029     {
1030         nat = state->natoms;
1031     }
1032
1033     for (i = 0; (i < 2); i++)
1034     {
1035         shfc->x[i].resizeWithPadding(nat);
1036         shfc->f[i].resizeWithPadding(nat);
1037     }
1038
1039     /* Create views that we can swap */
1040     gmx::ArrayRefWithPadding<gmx::RVec> posWithPadding[2];
1041     gmx::ArrayRefWithPadding<gmx::RVec> forceWithPadding[2];
1042     gmx::ArrayRef<gmx::RVec>            pos[2];
1043     gmx::ArrayRef<gmx::RVec>            force[2];
1044     for (i = 0; (i < 2); i++)
1045     {
1046         posWithPadding[i]   = shfc->x[i].arrayRefWithPadding();
1047         pos[i]              = posWithPadding[i].paddedArrayRef();
1048         forceWithPadding[i] = shfc->f[i].arrayRefWithPadding();
1049         force[i]            = forceWithPadding[i].paddedArrayRef();
1050     }
1051
1052     if (bDoNS && inputrec->ePBC != epbcNONE && !DOMAINDECOMP(cr))
1053     {
1054         /* This is the only time where the coordinates are used
1055          * before do_force is called, which normally puts all
1056          * charge groups in the box.
1057          */
1058         if (inputrec->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
1059         {
1060             auto xRef = state->x.arrayRefWithPadding().paddedArrayRef();
1061             put_atoms_in_box_omp(fr->ePBC, state->box, xRef.subArray(0, md->homenr));
1062         }
1063         else
1064         {
1065             cg0 = 0;
1066             cg1 = top->cgs.nr;
1067             put_charge_groups_in_box(fplog, cg0, cg1, fr->ePBC, state->box,
1068                                      &(top->cgs), state->x.rvec_array(), fr->cg_cm);
1069         }
1070
1071         if (graph)
1072         {
1073             mk_mshift(fplog, graph, fr->ePBC, state->box, state->x.rvec_array());
1074         }
1075     }
1076
1077     /* After this all coordinate arrays will contain whole charge groups */
1078     if (graph)
1079     {
1080         shift_self(graph, state->box, state->x.rvec_array());
1081     }
1082
1083     if (nflexcon)
1084     {
1085         if (nat > shfc->flex_nalloc)
1086         {
1087             shfc->flex_nalloc = over_alloc_dd(nat);
1088             srenew(shfc->acc_dir, shfc->flex_nalloc);
1089             srenew(shfc->x_old, shfc->flex_nalloc);
1090         }
1091         acc_dir = shfc->acc_dir;
1092         x_old   = shfc->x_old;
1093         auto x = makeArrayRef(state->x);
1094         auto v = makeArrayRef(state->v);
1095         for (i = 0; i < homenr; i++)
1096         {
1097             for (d = 0; d < DIM; d++)
1098             {
1099                 shfc->x_old[i][d] =
1100                     x[i][d] - v[i][d]*inputrec->delta_t;
1101             }
1102         }
1103     }
1104
1105     /* Do a prediction of the shell positions, when appropriate.
1106      * Without velocities (EM, NM, BD) we only do initial prediction.
1107      */
1108     if (shfc->bPredict && !bCont && (EI_STATE_VELOCITY(inputrec->eI) || bInit))
1109     {
1110         predict_shells(fplog, state->x.rvec_array(), state->v.rvec_array(), inputrec->delta_t, nshell, shell,
1111                        md->massT, nullptr, bInit);
1112     }
1113
1114     /* do_force expected the charge groups to be in the box */
1115     if (graph)
1116     {
1117         unshift_self(graph, state->box, state->x.rvec_array());
1118     }
1119
1120     /* Calculate the forces first time around */
1121     if (gmx_debug_at)
1122     {
1123         pr_rvecs(debug, 0, "x b4 do_force", state->x.rvec_array(), homenr);
1124     }
1125     int shellfc_flags = force_flags | (bVerbose ? GMX_FORCE_ENERGY : 0);
1126     do_force(fplog, cr, ms, inputrec, nullptr, enforcedRotation,
1127              mdstep, nrnb, wcycle, top, groups,
1128              state->box, state->x.arrayRefWithPadding(), &state->hist,
1129              forceWithPadding[Min], force_vir, md, enerd, fcd,
1130              state->lambda, graph,
1131              fr, ppForceWorkload, vsite, mu_tot, t, nullptr,
1132              (bDoNS ? GMX_FORCE_NS : 0) | shellfc_flags,
1133              ddBalanceRegionHandler);
1134
1135     sf_dir = 0;
1136     if (nflexcon)
1137     {
1138         init_adir(shfc,
1139                   constr, inputrec, cr, dd_ac1, mdstep, md, end,
1140                   shfc->x_old, state->x.rvec_array(), state->x.rvec_array(), as_rvec_array(force[Min].data()),
1141                   shfc->acc_dir,
1142                   state->box, state->lambda, &dum);
1143
1144         for (i = 0; i < end; i++)
1145         {
1146             sf_dir += md->massT[i]*norm2(shfc->acc_dir[i]);
1147         }
1148     }
1149     sum_epot(&(enerd->grpp), enerd->term);
1150     Epot[Min] = enerd->term[F_EPOT];
1151
1152     df[Min] = rms_force(cr, forceWithPadding[Min].paddedArrayRef(), nshell, shell, nflexcon, &sf_dir, &Epot[Min]);
1153     df[Try] = 0;
1154     if (debug)
1155     {
1156         fprintf(debug, "df = %g  %g\n", df[Min], df[Try]);
1157     }
1158
1159     if (gmx_debug_at)
1160     {
1161         pr_rvecs(debug, 0, "force0", as_rvec_array(force[Min].data()), md->nr);
1162     }
1163
1164     if (nshell+nflexcon > 0)
1165     {
1166         /* Copy x to pos[Min] & pos[Try]: during minimization only the
1167          * shell positions are updated, therefore the other particles must
1168          * be set here, in advance.
1169          */
1170         std::copy(state->x.begin(),
1171                   state->x.end(),
1172                   posWithPadding[Min].paddedArrayRef().begin());
1173         std::copy(state->x.begin(),
1174                   state->x.end(),
1175                   posWithPadding[Try].paddedArrayRef().begin());
1176     }
1177
1178     if (bVerbose && MASTER(cr))
1179     {
1180         print_epot(stdout, mdstep, 0, Epot[Min], df[Min], nflexcon, sf_dir);
1181     }
1182
1183     if (debug)
1184     {
1185         fprintf(debug, "%17s: %14.10e\n",
1186                 interaction_function[F_EKIN].longname, enerd->term[F_EKIN]);
1187         fprintf(debug, "%17s: %14.10e\n",
1188                 interaction_function[F_EPOT].longname, enerd->term[F_EPOT]);
1189         fprintf(debug, "%17s: %14.10e\n",
1190                 interaction_function[F_ETOT].longname, enerd->term[F_ETOT]);
1191         fprintf(debug, "SHELLSTEP %s\n", gmx_step_str(mdstep, sbuf));
1192     }
1193
1194     /* First check whether we should do shells, or whether the force is
1195      * low enough even without minimization.
1196      */
1197     bConverged = (df[Min] < ftol);
1198
1199     for (count = 1; (!(bConverged) && (count < number_steps)); count++)
1200     {
1201         if (vsite)
1202         {
1203             construct_vsites(vsite, as_rvec_array(pos[Min].data()),
1204                              inputrec->delta_t, state->v.rvec_array(),
1205                              idef->iparams, idef->il,
1206                              fr->ePBC, fr->bMolPBC, cr, state->box);
1207         }
1208
1209         if (nflexcon)
1210         {
1211             init_adir(shfc,
1212                       constr, inputrec, cr, dd_ac1, mdstep, md, end,
1213                       x_old, state->x.rvec_array(),
1214                       as_rvec_array(pos[Min].data()),
1215                       as_rvec_array(force[Min].data()), acc_dir,
1216                       state->box, state->lambda, &dum);
1217
1218             directional_sd(pos[Min], pos[Try], acc_dir, end, fr->fc_stepsize);
1219         }
1220
1221         /* New positions, Steepest descent */
1222         shell_pos_sd(pos[Min], pos[Try], force[Min], nshell, shell, count);
1223
1224         /* do_force expected the charge groups to be in the box */
1225         if (graph)
1226         {
1227             unshift_self(graph, state->box, as_rvec_array(pos[Try].data()));
1228         }
1229
1230         if (gmx_debug_at)
1231         {
1232             pr_rvecs(debug, 0, "RELAX: pos[Min]  ", as_rvec_array(pos[Min].data()), homenr);
1233             pr_rvecs(debug, 0, "RELAX: pos[Try]  ", as_rvec_array(pos[Try].data()), homenr);
1234         }
1235         /* Try the new positions */
1236         do_force(fplog, cr, ms, inputrec, nullptr, enforcedRotation,
1237                  1, nrnb, wcycle,
1238                  top, groups, state->box, posWithPadding[Try], &state->hist,
1239                  forceWithPadding[Try], force_vir,
1240                  md, enerd, fcd, state->lambda, graph,
1241                  fr, ppForceWorkload, vsite, mu_tot, t, nullptr,
1242                  shellfc_flags,
1243                  ddBalanceRegionHandler);
1244         sum_epot(&(enerd->grpp), enerd->term);
1245         if (gmx_debug_at)
1246         {
1247             pr_rvecs(debug, 0, "RELAX: force[Min]", as_rvec_array(force[Min].data()), homenr);
1248             pr_rvecs(debug, 0, "RELAX: force[Try]", as_rvec_array(force[Try].data()), homenr);
1249         }
1250         sf_dir = 0;
1251         if (nflexcon)
1252         {
1253             init_adir(shfc,
1254                       constr, inputrec, cr, dd_ac1, mdstep, md, end,
1255                       x_old, state->x.rvec_array(),
1256                       as_rvec_array(pos[Try].data()),
1257                       as_rvec_array(force[Try].data()),
1258                       acc_dir, state->box, state->lambda, &dum);
1259
1260             for (i = 0; i < end; i++)
1261             {
1262                 sf_dir += md->massT[i]*norm2(acc_dir[i]);
1263             }
1264         }
1265
1266         Epot[Try] = enerd->term[F_EPOT];
1267
1268         df[Try] = rms_force(cr, force[Try], nshell, shell, nflexcon, &sf_dir, &Epot[Try]);
1269
1270         if (debug)
1271         {
1272             fprintf(debug, "df = %g  %g\n", df[Min], df[Try]);
1273         }
1274
1275         if (debug)
1276         {
1277             if (gmx_debug_at)
1278             {
1279                 pr_rvecs(debug, 0, "F na do_force", as_rvec_array(force[Try].data()), homenr);
1280             }
1281             if (gmx_debug_at)
1282             {
1283                 fprintf(debug, "SHELL ITER %d\n", count);
1284                 dump_shells(debug, force[Try], ftol, nshell, shell);
1285             }
1286         }
1287
1288         if (bVerbose && MASTER(cr))
1289         {
1290             print_epot(stdout, mdstep, count, Epot[Try], df[Try], nflexcon, sf_dir);
1291         }
1292
1293         bConverged = (df[Try] < ftol);
1294
1295         if ((df[Try] < df[Min]))
1296         {
1297             if (debug)
1298             {
1299                 fprintf(debug, "Swapping Min and Try\n");
1300             }
1301             if (nflexcon)
1302             {
1303                 /* Correct the velocities for the flexible constraints */
1304                 invdt = 1/inputrec->delta_t;
1305                 auto v = makeArrayRef(state->v);
1306                 for (i = 0; i < end; i++)
1307                 {
1308                     for (d = 0; d < DIM; d++)
1309                     {
1310                         v[i][d] += (pos[Try][i][d] - pos[Min][i][d])*invdt;
1311                     }
1312                 }
1313             }
1314             Min  = Try;
1315         }
1316         else
1317         {
1318             decrease_step_size(nshell, shell);
1319         }
1320     }
1321     shfc->numForceEvaluations += count;
1322     if (bConverged)
1323     {
1324         shfc->numConvergedIterations++;
1325     }
1326     if (MASTER(cr) && !(bConverged))
1327     {
1328         /* Note that the energies and virial are incorrect when not converged */
1329         if (fplog)
1330         {
1331             fprintf(fplog,
1332                     "step %s: EM did not converge in %d iterations, RMS force %6.2e\n",
1333                     gmx_step_str(mdstep, sbuf), number_steps, df[Min]);
1334         }
1335         fprintf(stderr,
1336                 "step %s: EM did not converge in %d iterations, RMS force %6.2e\n",
1337                 gmx_step_str(mdstep, sbuf), number_steps, df[Min]);
1338     }
1339
1340     /* Copy back the coordinates and the forces */
1341     std::copy(pos[Min].begin(), pos[Min].end(), makeArrayRef(state->x).data());
1342     std::copy(force[Min].begin(), force[Min].end(), f.unpaddedArrayRef().begin());
1343 }
1344
1345 void done_shellfc(FILE *fplog, gmx_shellfc_t *shfc, int64_t numSteps)
1346 {
1347     if (shfc && fplog && numSteps > 0)
1348     {
1349         double numStepsAsDouble = static_cast<double>(numSteps);
1350         fprintf(fplog, "Fraction of iterations that converged:           %.2f %%\n",
1351                 (shfc->numConvergedIterations*100.0)/numStepsAsDouble);
1352         fprintf(fplog, "Average number of force evaluations per MD step: %.2f\n\n",
1353                 shfc->numForceEvaluations/numStepsAsDouble);
1354     }
1355
1356     // TODO Deallocate memory in shfc
1357 }